Mechanismen die Laserdioden beschädigen

Laserdioden versagen in der Regel aufgrund von zwei unterschiedlichen Beschädigungsmechanismen:

Optische Überlastung

Einer der Beschädigungsmechanismen ist optischer Natur und tritt auf, wenn die Laserdiode Licht erzeugt (als Lasern bezeichnet), und die optische Energiedichte die integrale Kapazität der reflektierenden Spiegel der Laser-Dioden übersteigt. In diesem Fall verliert die gespiegelte Oberfläche dauerhaft Ihre Reflexiontionseigenschaft und die Laserdiode funktioniert nicht mehr ordnungsgemäß. Einfacher ausgedrückt kann man es sich so vorstellen, als dass das Laserlicht so intensiv wird, dass es die Spiegelfläche “verdampft”.

Elektrische Überlastung

Der zweite Beschädigungsmechanismus bezieht sich auf den Ausfall des P-N-Übergangs der Laser-Dioden selbst. Ein heftiger Überstromstoß oder eine Überspannungsspitze können eine lokale Erwärmung und weitere schädliche Phänomene verursachen, die unter extremen Bedingungen, tatsächlich die Laserdiode zerbrechen können (wir haben dies unter einem Mikroskop beobachten können – verursacht durch eine hohe ESD).

 

Beiden dieser Beschädigungsmechanismen  können durch eine Überspannung oder Überstrom Bedingung hervorgerufen werden. Low-Power-Laser-Dioden, d.h. Laserdioden deren optische Ausgangsleistung unter rund 200 mW liegt, sind besonders empfindlich gegenüber ESD. Das liegt daran, dass sie von Natur aus schnelle Baugruppen sind. Tatsächlich werden Low-Power-Laser-Dioden oftmals direkt moduliert und werden für die Glasfaser-Kommunikation mit Datenraten im Gigahertz-Bereich verwendet. Somit können der P-N-Übergang und die optische Elemente einer Laserdiode sehr schnell auf Änderungen der Spannung oder Strom reagieren.

Daher sollte eine ESD-Schutz-Baugruppe und die Methode, um wirksam zu sein, vorzugsweise als proaktive Maßnahme implementiert werden, um in erster Linie zu verhindern, dass überhaupt eine Überspannungs- oder Überstrom-Bedingung entsteht,um nicht darauf reagieren zu müssen, nachdem sie aufgetreten ist.

Strom und Spannungs-Profil Gegenüberstellung

image002Die Abbildung rechts zeigt eine Strom-zu-Spannungs-Profil Gegenüberstellung einer typischen Low-Power-Laser-Diode. Dort ist erkennbar, dass das Profil ähnlich dem von anderen Diodenarten und Halbleiter ist.

Ausgehend von Null Volt, wird die positive Spannung inkrementell erhöht (d.h. die Spannungen, die dazu neigen die Vorspannung der Laserdiode zu erzeugen), es fließt sehr wenig Strom bis knapp 1,8 Volt erreicht ist.

Ein weiterer inkrementeller positiver Anstieg ab ungefähr 1,8 Volt verursacht dass der Stromfluss annähernd exponentiell steigt. Jedoch gibt die Laserdiode kein Laserlicht aus, bis der Strom eine “Laserausgabe-Schwelle” überschreitet, die für die hier verwendete Laserdiode bei rund 30 Milliampere und bei rund 2,2 Volt liegt. Mit weiterem positiven inkrementellen ansteigen der Spannung, steigt der Stromfluss an, während die optische Ausgabe-Leistung der Laserdiode sich ebenfalls in einer Weise erhöht, die ungefähr proportional zum Strom ist.

Sobald der maximale Strom für eine bestimmte Laserdiode erreicht ist (für diese Laserdiode rund 35 Milliampere und 2,4 Volt ), führt eine weitere Stromerhöhung wahrscheinlich zum Ausfall, verursacht durch eine oder beide der oben beschriebenen Beschädigungsmechanismen. Daher ist es wichtig, zu verhindern dass sich die Spannung und somit der Strom, über die maximale Leistungsfähigkeit für eine bestimmte Diode erhöht. In den meisten Fällen wird eine Low-Power Laserdiode zerstört werden, wenn die Grenzwerte, auch nur für einen kurzen Zeitraum, überschritten werden.

Beachten Sie, dass die Abbildung nur die Gegenüberstellung des Strom und Spannungs-Profil für positive Spannungen zeigt, d.h. Spannungen, die vorwärts-polarisiert die Laserdiode ansteuern. Laserdioden-Hersteller empfehlen, negative Spannungen zu vermeiden d. h. Spannungen, die mit umgekehrter Polarität die Laserdiode ansteuern.

Das Datenblatt für eine beispielhafte Laserdiode listet eine absolute maximale Sperrspannung von 2 Volt. Um diese Laserdiode vor einer Beschädigung durch ESD zu schützen, sollten die Schutz-Mittel positive Spannungen auf bis etwa 2,4 Volt und negative Spannungen bis etwa 2,0 Volt oder weniger beschränken. Diese Spannungen dienen als Referenz für den restlichen Teil dieser Betrachtung.